Смена парадигмы в гидродинамике
ЦЮРИХ – На протяжении веков фундаментальное различие между твердыми телами и жидкостями было очевидным: твердые тела разрушаются, жидкости текут. Но революционное открытие исследователей из Цюрихского политехнического института (ZPI) бросает вызов этому основополагающему принципу. В серии тщательно контролируемых экспериментов учёные наблюдали, как обычные жидкости под действием определённых сил распадаются на части с внезапным и резким разрушением, обычно свойственным твёрдым материалам.
Опубликованные на этой неделе в престижном журнале Nature Physics результаты опровергают давние предположения о механике жидкостей. Доктор Лена Петрова, ведущий автор и профессор материаловедения в ЗПИ, описывает это явление как поразительное и чрезвычайно значимое. «Мы всегда понимали, что жидкости разжижаются, растягиваются и в конечном итоге разделяются на капли или потоки под напряжением», — объяснила доктор Петрова на пресс-конференции во вторник. «Видеть, как жидкость внезапно раскалывается, почти мгновенно, как если бы это был кусок хрупкого пластика или металла, заставляет нас полностью переосмыслить внутреннюю динамику этих повседневных веществ».
Раскрытие скрытого разрушения жидкости
Команда ZPI достигла этого беспрецедентного наблюдения с помощью специально изготовленного реометра в сочетании со сверхвысокоскоростной камерой, способной снимать события со скоростью 100 000 кадров в секунду. Они сосредоточились на высоковязких жидкостях, в частности на запатентованной смеси поли(диметилсилоксана) и высокомолекулярном силиконовом масле с вязкостью, превышающей 100 000 сантистокс (сСт). Жидкости были втянуты в микрофлюидные каналы шириной всего 50 микрометров и подвергнуты быстро возрастающим растягивающим усилиям, превышающим 100 килопаскалей (кПа).
«То, что мы увидели, не было постепенным сужением и истончением, которого мы ожидали», — уточнила доктор Петрова, показав замедленное видео. "Вместо этого в критической точке напряжения через жидкость прошла чистая линия перелома, создав две отдельные, четко очерченные поверхности. Это было невероятно точно, почти хирургически". Разрушение произошло всего за микросекунды, не оставив жидкости времени на деформацию или течение в обычном смысле слова. Это быстрое разделение во многом имитирует хрупкое разрушение, наблюдаемое в твердых телах, где связи разрываются поперек плоскости, а не растягиваются и перестраиваются.
Вязкий поворот: вызов старым парадигмам
Важно отметить, что команда ZPI установила, что такое поведение при защелкивании не обусловлено эластичностью, как можно было бы интуитивно предположить. Эластичность — это способность материала возвращаться к своей первоначальной форме после деформации, свойство, которое чаще всего ассоциируется с эластичными твердыми веществами или вязкоупругими жидкостями, которые проявляют как жидкие, так и твердые характеристики. Вместо этого исследования доктора Петровой указывают на вязкость – сопротивление жидкости течению – как на основной фактор.
«Наши модели предполагают, что в этих очень вязких жидкостях при быстром и интенсивном растяжении внутреннее молекулярное трение и запутывание создают напряжение быстрее, чем молекулы могут перестроиться в процессе течения», — заявил доктор Кай Бергман, соавтор и физик-теоретик проекта. "По сути, жидкость становится "застревающей" на молекулярном уровне, и когда сила становится слишком большой, структура катастрофически разрушается, что приводит к разрушению, а не к плавному разделению. Это хрупкое разрушение, вызванное вязкостью, концепция, которая ранее считалась невозможной для настоящих жидкостей". Это открытие фундаментально бросает вызов классическому пониманию механики жидкости, которое в значительной степени предсказывает непрерывную деформацию и течение под напряжением.
За пределами лаборатории: последствия для реальной жизни
Последствия этого открытия выходят далеко за пределы исследовательской лаборатории. Отрасли, от передового производства до биомедицинской инженерии, могут увидеть значительные изменения в том, как они обращаются и обрабатывают материалы. Например, с помощью этого нового понимания можно оптимизировать или перепроектировать процессы, включающие экструзию высоковязких полимеров, нанесение специализированных покрытий или даже прецизионную 3D-печать жидкими смолами.
«Представьте себе сценарий в микрофлюидике, где вам нужно точно отделить крошечный объем жидкости без каких-либо остаточных нитей, или в аддитивном производстве, где контроль точной точки разрыва струи полимера может привести к беспрецедентному разрешению», — предложила доктор Петрова. «Это также открывает новые возможности для понимания природных явлений, таких как поведение магмы под экстремальным давлением или динамика определенных биологических жидкостей». Способность прогнозировать и потенциально контролировать этот жидкостный разрыв может привести к разработке новых материалов с индивидуальными разрушающими свойствами или к более эффективным производственным процессам.
Перспективы гидродинамики
Команда ZPI в настоящее время расширяет свои исследования для изучения более широкого спектра жидкостей, включая сложные суспензии и эмульсии, а также для изучения влияния температуры и давления на это явление разрушения. Они также планируют разработать более сложные теоретические модели, чтобы полностью отразить сложные молекулярные взаимодействия. Это открытие знаменует собой важную веху, побуждающую ученых пересмотреть фундаментальные теории материи и потенциально ведущую к новому классу материаловедения.
